全自动外墙清洗机设计.docx

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全自动外墙清洗机设计

目录

前言2

第1章工作原理和主要参数及工作原理图6

1.1工作原理6

1.2主要参数6

1.3工作原理图6

第2章清洗机构部分设计9

2.1、选用电动机9

2.2、链传动的设计9

2.3齿轮齿条传动设计10

2.4齿轮轴及其装备的轴承设计校核计算13

第3章控制电路设计17

设计总结及展望19

参考文献20

前言

随着我国经济的快速发展和人们生活水平的提高，城市建筑也迅速朝高空中发展。

高层建筑层出不穷。

众多的电子产品在高层建筑内，产生了大量静电，传存在建筑物的墙壁里，建筑物的外墙及玻璃受静电的影响吸附了大量的灰尘，天长日久，日晒，风吹，雨淋，外墙上留下了一道道污迹，不但损坏了建筑物，而且还影响了城市的美观和市容。

人们常采用的是一根绳和一块板吊人清洗的高危作业。

为弥补这一缺陷，我们设计了一种投资小，成本低，安全可靠，工作效率高的全自动高层建筑外墙清机。

外墙自动清洗机是现代高层建筑外墙清洗的专用设备，适应高层建筑的外墙自动清洗大大节省了人力，杜绝了人工工作时的危险。

并且建筑物外墙清洗业在我国已引起广泛注意和重视。

所有的高层建筑物外墙，由于长期日晒和风吹雨打，以及大气中有害的气体和油烟等污染和化学反应的侵蚀，使得建筑物外墙产生了污垢和风化，既影响了建筑物的美观和市容，又损坏了建筑物。

因此，清洗建筑物的外表，不仅美化环境，而且起到了保护建筑物的作用。

   高层建筑物外墙的清洗是一项十分复杂的系统工程，为了清洗时有针对性和保护建筑物，首先要分析污垢的成份和结构及污染程度：

1）高层建筑物外墙的污垢组成及建筑物的理化性质   

    外墙的污垢一般分为三级，一级比一级严重，一级是灰尘；二级是污渍；三级是污垢。

通常所说的污垢是三者的总称。

2）污渍  

污渍由多种成分的灰尘和水的混和物，酸雨痕迹，菌类以及泥浆、染料等渍迹组成。

在软、硬表面上都粘染。

建筑物是最大污渍粘染表面，故污渍一旦粘染不及时清除，就会常期顽固的留存，使建筑物表面受到严重的污染。

3）污垢   

    污垢有油基、水基之分。

随着人们生活水平的提高，工业迅速发展，污垢的种类越来越多，成分越来越复杂。

污垢的质量远远高于灰尘和污渍。

污垢不及时清洗干净就会在建筑物表面留下永存印迹而且失去光采。

除以上三种污垢外，对于金属建材而言还有另外一种污垢形式，就是变色。

这是金属与水、空气中的某些物质发生化学反应造成的如铁锈、铜绿、金、银、铝的表面氧化变暗等。

总之，建筑物所存在的位置、环境不同，污垢的成分和污染程度亦有所不同，有的光滑（如釉面砖）、有的粗糙（如水涮石）、有的易被酸碱腐蚀（如铝合金门窗）、有的易被溶剂溶解（如丙酮可溶解化工涂料）。

由于外墙的介质有所不同，所以在清洗外墙前要分析外墙的成分和理化性质及污染程度。

对此社会大多出现了人工、物理和化学的方法，分作简要介绍如下：

1）人工清洗

当代大厦多为高层建筑，外墙面多用各种材质的面砖装饰。

为保持大厦外表的清洁、美观，应定期对外墙进行清洗。

高层大厦玻璃幕墙和玻璃窗的外面，容易附着灰尘，需要经常擦拭，以保持大厦美洁和室内明亮。

清洗大厦外墙和玻璃的外面，需要经常擦拭，以保持大厦美洁和室内明亮。

清洗大厦外墙和玻璃的外面，需要在室外和高空中作业。

高空玻璃擦拭法的工作大体如下：

（1）首先查看作业现场，确定作业方案。

重点查看屋顶状况，确认能否安装吊篮、吊板；吊篮、吊板在屋顶移动有无障碍；霓虹灯、广告字牌等是否防碍作业等。

（2）安装运载工具——吊篮或吊板。

如大厦已安装擦窗机，则按规范进行操作前的检测。

（3）准备擦拭工具，包括水桶、清洁剂、毛滚、胶刮、毛巾以及备用辅助工具铲刀、刮刀、溶剂等。

（4）作业人员携带工具上吊篮或吊板。

有些工具应用松紧绳栓在吊篮或吊板上，以防一旦失手从高空落下伤人。

在地面上设拦护绳和安全告示牌。

（5）作业方式为从上到下。

每擦拭完一溜，整理工具、加清洁剂、横向移动吊篮或吊板，再继续第二溜作业。

（6）擦拭玻璃方法：

检查玻璃上有无粘着物等污迹，如有，先用刮刀等相应辅助工具和溶剂除去。

将毛滚浸入桶中，待清洁剂充分吸入后，用手轻轻捋一下（以不入下滴水为宜），均匀涂抹在玻璃上。

涂抹时，一般为由上往下滚，横向移动，每趟滚迹要交叉相压，以防漏涂。

用胶刮将涂抹在玻璃上的清洁剂刮净，操作时应稍用力，将胶刮均匀按压在玻璃上，由上至下慢慢刮动，一次刮净一溜，用湿毛巾擦净胶刮后，再横向移动刮另一溜。

玻璃刮净后，用毛巾将窗擦净。

确认一次应作业范围的玻璃已擦拭完毕，滑动吊篮或吊板，继续往下作业。

（7）全部作业完成后，收拾整理工具，撤去地面拦护绳和告示牌。

并用步话机保持联系。

弄清屋顶状况。

确定水源、电源。

由上可知此清洗方法为危险作业，劳动强度极大，而且所需大量劳动人员，效率低。

2）物理清洗法  

    主要是通过外力使污垢脱离建筑物的外墙，具体方法是用超声波或水冲洗（或水喷淋），使污垢疏软、剥离、融化，最后再用水冲洗干净。

该清洗方法对环境污染大，成本高，浪费大量能源和资源。

3）化学清洗法   

   化学清洗法是利用化学试剂对污垢进行溶解、分离、降解等化学反应，使外墙去污。

此清洗方法对环境污染程度高，对人的身体健康损伤大。

针对以上三个清洗方法的缺点与不足，我们设计了一种投资小，成本低，安全可靠，工作效率高的全自动高层建筑外墙清机来解决以往的清洗常用用高空吊篮、吊板、升降台等运载工具，作业难度大，危险性大。

操作人员须经严格体检，严格培训，严格遵守操作规范和安全规范，作业时，屋顶和地面都要有人监护，而且难免工作人失手，从高空落下伤人。

避免人员劳动强度大，作业安全保证性低，成本和代价花费大。

杜绝物理化学方法，污染严重，浪费资源。

针对以上的清洗方法的不足，全自动高层建筑外墙清机工作时，采用机器清洗。

该机器工作时，双速电机启动，通过钢绳带动机架迅速上升，上升到预定位置，碰到行程开关，双速电机反向，机架缓慢向下移动，与此同时，机架顶部的喷淋水嘴喷水，各导轨上的刷具在各电机的带动下沿各自的导轨往复移动的同时作旋转运动，洗清墙外上的污渍，使外墙干净洁白美观。

本设计产品改变了多年以来人工吊拉清洗或一根绳一块板吊人清洗的高危作业现象，实现了机电一体化。

结构简单，操作方便，投资小，成本低，安全可靠，工作效率高。

一小时大约可清洗墙面600～800m2。

本机器分为清洗机构和升降机构。

本设计说明书主要着重于清洗机构部分设计，升降机构设计见同组张星星同学毕业设计说明书。

由于本人能力有限，设计中的错误在所难免，请大家给予批评和指证，谢谢！

第1章工作原理和主要参数及工作原理图

1.1工作原理

全自动高层建筑外墙清包括机架，装在机架顶部的喷淋水嘴，横置于机架上的三根导轨，分别通过传动机构受减速电机带动的能沿导轨往复移动的刷具。

每根导轨上有通过位于导轨顶部的与导轨配合的导向轮沿导轨移动的支座，沿导轨底部有齿条，传动机构中与减速电机输出轴上的主动链轮，位于导轨底部与导轨上的齿条啮合的齿轮轴，装在齿轮轴伸出支座的一端的从动链轮通过链条受主动链轮带动，刷具装在刷具轴上，工作时，打开减速电机，刷具轴带动刷具旋转清洗墙面，与此同时，刷具轴上的主动链轮通过链条带动从动链轮转动，从而齿轮轴转动，齿轮相对于导轨上的齿条转动而带动支座沿导轨往复移动（上述的控制器中有设置在每根导轨两端上的行程开关）。

具体见机构原理图1.1和1.2如下两页。

1.2主要参数

装机容量：

2.75kw

每小时耗电：

2.75度

单个减速电机功率大约：

0.55kw

双速电机功率功率大约：

1.1kw

刷具转速：

241r/min

链传动链速大约：

0.8m/s

1.3工作原理图

图1.1工作原理图

（一）

图1.2工作原理图

（二）

第2章清洗机构部分设计

2.1、选用电动机

由于电动机的功率已确定，并考虑到传动转速的限制，所以初步选减速电动机的型号为YCJ71，配用电机Y801-4,输出转速241r/min,输出转矩20N

m。

所以为YCJ8.01-0.55-241。

2.2、链传动的设计

由于往复运动及运动传输的速度较小，故采取链传动较好。

由于初步得知其功率大约为05k，连续工作8小时，输出转矩21N

m，传动比为2，载荷平稳，中心线偏垂直线

。

1）选择链轮齿数

取小链轮齿数Z1=17,则大链轮齿数为Z2=Z1×i=34。

2）．确定计算功率

查表可得kA=1.0,KZ=1.55,单排链，则计功率为

Pca=kAKZP=1.0×1.52×0.55=0.8525kw

3）．选择链型号和节距

根据Pca=0.8525kw和n1=241r/min,查图可选链条型号为08A,查得链条节距为p=12.7mm。

4）.计算链节数和中心距

初选中心距a0=（30～50）p=（30～50）×12.7mm=381～635mm,取a0=400mm,相应的链长节数为

Lp0=2a/p+（Z1+Z2）/2+[（Z2-Z1）/（2×3.14）]2×（p/a0）

=2×400/12.7+（17+34）/2+[（34-1≈）/（2×3.14）]2×（12.7/400）

≈88节

查中心距计算系数f1=0.24795,则链传动的最大中心距为

amax=f1p[2Lp-（Z1+Z2）]=0.24795×12.7×[2×88-17]

=393.620625mm

根据以上取中心距为382mm。

5）．计算链速V，确定润滑方式

V=n1z1p/（60×1000）=12.7×17×241/（60×1000）=0.87m/s

根据v=0.87m/s和08A-1,所以采用滴油润滑。

计算压轴力

有效圆周力：

Fe=1000p/v=1000×0.55/0.87=632.18N

链轮略倾斜布置压轴力系数Kfp=1.05

则压轴力为Fp=1.05×632.18=663.789

滚子链的耐疲劳工作能力校核

P0′为链板疲劳强度限定的额定功率，P0″为滚子套筒冲击疲劳强度限定的额定功率，p为要求的传递功率，则在铰链不发生胶合的前提下对已知链传动进行当

0.55≥0.36782＝P0′

故满足要求。

链轮具体设计按选用件设计，具体结构见见零件图图5和图8。

以上所述表见纪名刚主编.机械设计（第七版）.北京：

高等教育出版社.2001。

2.3齿轮齿条传动设计

1）．选定齿轮类型、精度等级、材料及齿数

（1）刷墙机为一般工作机器，速度不高，且P≈0.35kw,故选用直齿圆柱齿轮传动，选用7级精度（GB10095-88）。

（2）材料选择。

由表10-1选择小齿轮材料40Cr（调质）。

硬度为280HBS，大齿轮材料为45钢（调质）硬度为240HBS，二者材料硬度差为40HBS。

（3）选小齿轮齿数Z1=20，a=20°

2）．按齿面接触疲劳设计

由设计计算公式

d1t≧2.32

计算

（1）确定公式内的各个计算数值

●试选载荷系数Kt=1.3。

●计算小齿轮传递的转矩。

T1=9550×105P1/n1=4.153×104N.m

由表10-7选取齿宽系数φd=1。

●由表10-6查得材料弹性影响系数ZE=189.8MPa1/2

●由图10-21d按齿面硬度查得小齿轮的接触疲劳强度极限

[σH]1=600MPa;大齿轮的接触疲劳强度极限[σH]2=550Mpa。

●由10-13计算应力循环次数

N1=60n1jLh=60×12.5×1×2×8×300×15=0.52056×109

●由图10-19（C）查得接触疲劳寿命系数KHN1=0.95，KHN2=1.6。

●计算接触疲劳许用应力

取失效概率为1%，安全系数S=1，由式10-12得

[σH]1=

=570Mpa

[σH]2=

=560Mpa

（2）

计算齿轮分度圆直径d1t，代入[σH]中较小的值。

d1t≧2.32

=65.322424

●计算圆周速度v。

V=пdltn2/60000=0.412m/s

●计算齿宽b。

b=φddlt=1×65.32424=65.324m

●计算齿宽与齿高之比

。

模数mt=

=

=3.266

齿高h=2.25mt=2.25×3.266=7.35mm

=

=8.88765

●计算载荷系数

根据V=0.412m/s和7级精度，查得动载荷系数

Kv=1.08；

直齿轮KA=KFα=1；

由表10-2查得使用系数KA=1.00

10-4用插值法查得7级精度、小齿轮相对支承非对称布置时,载荷分布系数KHB=1.4216。

由

=8.88765，KHB=1.4216查图10-13得KFB=1.51；故载荷系数

K=KAKVKHαKHβ=2.3255

●按实际载荷系数校正所得的分度圆直径，由式（10-10a）

得

d1=dlt

=69.013

●计算模数m。

m=

=3.45065.

3）按齿根弯曲疲劳设计

由弯曲疲劳设计公式m≥

（1）确定公式内的各计算数值

●由图10-20c查得小齿轮的弯曲疲劳强度极限σFE1=500Mpa

大齿轮的弯曲疲劳强度极限σFE1=380Mpa

●由图10-18取弯曲疲劳强度极限KFN1=0.88KFN2=2.5

●计弯曲疲劳许用应力。

取弯曲疲劳寿命系数s=1.4,

由[σF]1=

=314.2857Mpa

[σF]2=

=960Mpa

●计算载荷系数k。

K=KAKVKFσKFβ=1.6308

●查取齿形系数。

由表10-5查得YFα1=2.80YFα2=2.06

●查取应力校正系数。

由表10-5查得YSα1=1.58YSα2=1.97

●计算大、小齿轮的

并加以比较

=0.014089

=0.004227291

小齿轮的数值大。

（2）设计计算

m≥

=2.84270416

对比计算结果，由齿面接触疲劳强度计算的模数m大于由齿根弯曲疲劳强度计算的模数，由于齿轮模数m的大小主要取决于弯曲强度所决定的承载能力，而齿面接触疲劳强度所决定的承载能力，仅与齿轮直径（即模数与齿数的乘积）有关，可取由弯曲强度算得的模数2.84就近圆整为标准值m=3mm,按接触强度算得的分度圆直径d1=dlt

=69.013，算出小齿轮齿数

Z1=

=

≈23

小齿轮设计为齿轮轴。

大的即为齿条。

这样设计出的齿轮传动既满足了齿根弯曲疲劳强度，并做到结构紧凑，避免浪费。

4）．几何尺寸计算

●计算分度圆直径

d1=Z1m=23×3=69mm

●计算齿轮宽度

b=φddlt=69

取齿条宽度B2=70mm,齿轮宽度B2=75mm。

5）.结构设计见齿轮轴、齿条零件图。

以上所述表见纪名刚主编.机械设计（第七版）.北京：

高等教育出版社.2001。

2.4齿轮轴及其装备的轴承设计校核计算

1）．求p,及其力F

（1）求输入轴上的功率P1、转速n1和转矩T1

若取链传动的效率η1=0.96，则

P1=P×η1=0.45×0.96Kw=0.432Kw

又n1=241r/min

于是T1=

=17.11N.m

（2）求作用在齿轮上的力

因已知齿轮的分度圆直径为

d1=mz=69mm

而Ft=

=496N

2）．初步确定定轴的最小直径

选取轴的材料为40cr,取A0=112

dmin=A0

=14.28mm

3）.由装配方案得齿轮轴的结构设计如图2.1

图2.1

4）.选用轴承和轴承校核

（1）选用轴承为6007，C=10.5KN

（2）校核轴承

F1+F2+F3=F4,由尺寸和力学可得

F1=534.5N,F2=834.5N

初步计算当量动载荷p

P=fpR1=1.2×834.5=1001.4N

（3）验算轴承寿命

＞Ln’

故满足要求。

5）．求轴上载荷

轴的大体载荷分析图如图2.2：

图2.2

载荷

水平面H

垂直面V

支反力F

F1=534.5N,F2=834.5N

F3=418.5NF4=512.6N

弯矩M

MH=25630N.mm

MV1=17539N.mm,MV2=23458N.mm

总弯矩

M1=

=26049N.mm

M2=

=26511N.mm

扭矩T

aT=8456.6N.mm

6）.由于齿轮为K式直齿轮，按弯扭合成应力校核的强度

Mca=

=31110.5N.mm

σca=

=45.2Mpa＜[σ-1]=60Mpa

故安全。

第3章控制电路设计

1、接线图设计

1）电路原理电路图如下

合上三相四线电源开关QF闭合，接触器KM7和KM9同时闭合，双速电机M1快速带动机架上升，上升到预定位置，通过控制，SQ-1长闭触点断开，SQ-2常开触点闭合，KM7和KM9线圈失电，快速上升立即停止，同时KM8线圈得电，M1双速电机慢速绕组得电，慢速下降，同时SQ2或SQ3因常闭KM1或KM2交流接触器闭合，第一只清洗刷开始运动碰到SQ2或SQ3其中之一行程开关，第一只清洗刷就往返运动对墙壁进行洗刷，为于安全可靠可行更加完善还选用光电开关安装在往返行程限位开关SQ2或SQ3的前3-4米左右可调节远近的限位距离对墙壁上的空调外机或其它障碍物进行扫射，对预调的空调外机或障碍物距离内第一只清洗刷电机就会向相反的方向运动。

其他清洗刷工作状况同上。

三只清洗刷同时清洗墙壁使清洗的墙壁干净洁白美观。

如果第一只清洗刷具交流接触KM1、KM2因故同时失电，M2电机停止工作，KM-1和KM-2同时闭合，这时时间继电器KT线圈得电、KT-1延时3-5秒闭合，KM10线圈得电、KM10-1触点断开，第一只清洗刷具，第二只清洗刷具，第三只刷具电机M2、M3、M4同时停止旋转（不工作），三只清洗刷具得到安全保护，这样对设备进行可靠的安全保证，设备正常运转。

然后控制M1双速电机的慢速接触器KM8线圈得电，整机慢速下降到地面，进行故障处理，恢复设备正常运转。

2）、电路图如下3.1和3.2

图3.1

图3.2

设计总结及展望

历时三个多月的毕业设计终于接近尾声，伴随而来的是大学生涯的满结束。

在这次设计过程中不仅把以前四年的知识巩固复习了一下，还学到了一些新的东西，可以说既有喜悦又有辛酸，喜得是在工作之前能再有一次这样的机会来把四年的理论知识运用到实际上，可以说这是走向社会的一次实战模拟，能完成它就是对我四年学习的肯定。

但单独设计一个整体的、完整的、可以投产的机器，我们还是感到较大的难度的，因为它涉及知识面广，工作量大，而且许多东西都是要按设计手册规划的，因此在设计中也感到辛酸。

本次设计的内容是全自动高楼外墙清洗机，虽然在设计过程中遇到很多困难，但毕竟给我们带来了很多有价值的东西，这套机器的整体不仅仅光是机械部分的，它是在机械的框架上采用电器控制来完成、实现动作的，通过设计翻阅大量资料，对力学、材料及电器控制方面的知识有了更进一步的理解，培养了团结合作的意识，锻炼了运用资料及查阅文献和设计手册的能力，这些也就是此次设计的最大收获。

毕业设计是我在大学学习阶段的最后一个环节，是对所学基础知识和专业知识的一种综合应用，是一种综合的再学习、再提高的过程，这一过程有助于培养我的学习能力和独立工作能力。

通过本次毕业设计，我感到自己应用基础知识及专业知识解决问题的能力有了很大的提高，因此，是在我即将工作之前，它是一次重要演练。

我想，通过这次毕业设计，到了工作单位后，我将能够更快的适应工作岗位和工作要求。

我对自己充满信心。

总之，这次毕业设计对我而言是受益匪浅的。

参考文献

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[11]成大先主编.机械设计手册·单行本·联接与紧固.北京：

化学工业出版社.2004

附件图纸

装配图

滚动导向轮

主动链轮

从动力链轮

齿轮轴

机架

导向齿条

机座

电路图

电路控制图